Grundlagen der Wärmebehandlung

Stähle sind Eisen-Kohlenstofflegierungen, deren Eigenschaften durch Änderung der chemischen Zusammensetzung (C-Gehalt und Zugabe von Legierungselementen) und durch Wärmebehandlung beeinflusst werden können. Hierdurch ergibt sich eine Vielzahl von Baustählen, die allen Anforderungen gerecht werden. Zum Verständnis der verschiedenen Wärmebehandlungen ist es erforderlich, mit den Vorgängen vertraut zu werden, die in Baustählen bei der Erwärmung und Abkühlung ablaufen.

Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff (Bild 1) bildet eine erste Grundlage für die Wärmebehandlung. Es zeigt die unter Gleichgewichtsbedingungen vorliegenden Gefügebestandteile und Mengen an. Dem Zustandsschaubild ist zu entnehmen, dass Austenit und bei übereutektoiden Stählen Austenit und Zementit bei Temperaturen oberhalb der Linie GSK vorhanden sind. Bei sehr langsamer Abkühlung, die wiederum zu Gleichgewichtsverhältnissen bei Raumtemperatur führt, erfolgt eine Umwandlung des Austenits in andere Gefügearten.

Bild 1(Zur Vergrößerung, bitte auf das jeweilige Bild klicken.)
Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff

Stähle mit C-Gehalten unter 0,8 % scheiden bei der Abkühlung aus dem Austenitgebiet Ferrit aus und der restliche Austenit zerfällt unter 723°C in Perlit (Bild 2 - Ferrit und Perlit). Bei einem Gehalt von 0,8 % Kohlenstoff bildet sich nur Perlit (Bild 3) als Gemenge von Ferrit und Zementit. In Stählen mit C-Gehalten über 0,8 % entsteht Perlit und Zementit (Bild 4), wobei der Sekundärzementit an den Korngrenzen ausgeschieden wird.

Durch den Zusatz anderer Legierungselemente können die Umwandlungstemperaturen und die Gleichgewichtslinien verändert und die Karbidbildung beeinflusst werden.

Über das Gefüge von Stählen, die rasch aus dem Austenitgebiet abgekühlt werden, gibt das Zustandsschaubild keine Auskunft. Die Umwandlung des Austenits erfolgt mit höheren Abkühlungsgeschwindigkeiten nicht nach den Gleichgewichtsverhältnissen und führt zu anderen Gefügearten - Sorbit, Troostit, Zwischenstufengefüge, Martensit - die im FeC- Zustandsschaubild nicht angezeigt werden. Die Umwandlungen werden in Zeit-Temperatur Umwandlungsschaubildern beschrieben; sie bilden eine weitere Grundlage der Wärmebehandlung.

Bild 2
Ferrit und Perlit
(untereutektoidischer Stahl) 		Bild 3
Perlit (eutektoidischer Stahl) 		Bild 4
Perlit und Zementit
(übereutektoidischer Stahl)


Im ZTU- Schaubild wird auf der Ordinate die Temperatur und auf der Abszisse die Zeit im logarithmischen Maßstab angegeben. Der Beginn und das Ende der Austenitumwandlung in die einzelnen Gefügebestandteile - Ferrit, Perlit, Zwischenstufe und Martensit - werden durch Kurvenzüge wiedergegeben. Je nachdem, ob bei der Ermittlung des Schaubildes die Temperatur während der Umwandlung konstant gehalten oder kontinuierlich verändert wurde, unterscheidet man zwischen isothermischem ZTU- Schaubild und dem ZTU- Schaubild für kontinuierliche Abkühlung.

Im isothermischen ZTU- Schaubild (Bild 5) wird angezeigt, welche Zeit für den Beginn und bis zur Vollendung der Austenitumwandlung bei der jeweiligen Temperatur benötigt wird, und in welchem Temperaturbereich die größte Umwandlungsneigung vorhanden ist. Es ist ferner abzuschätzen, welche Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht werden muss, um eine vollständige Martensitbildung zu erzielen. Hierzu muss bei der Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur die Linie Ms unterschritten werden, ohne dass vorher bereits eine Gefügeumwandlung eingeleitet wurde.

Die Martensitbildung erfolgt spontan und ist unbeeinflusst von der Haltezeit der Temperatur. Der Martensitanteil wird durch weitere Abkühlung auf Raumtemperatur gesteigert (Kennlinien für 50 und 90%igen Martensitanteil). Die Härte der gebildeten Gefügebestandteile ist jeweils dem Kurvenzug "Umwandlung" zugeordnet und in Kreisen durch Angabe der HRC- bzw. der HV-Werte gekennzeichnet. Im ZTU- Schaubild findet man nach der Umwandlung folgende Gefügebestandteile: unterhalb Ms Martensit, rechts der Kurve "Umwandlungsende" bei höheren Temperaturen Perlit, bei den niedrigen Temperaturen Zwischenstufengefüge. Der Mengenanteil des Umwandlungsgefüges ist durch Zahlenangaben in Prozent gekennzeichnet.

Bild 5 (Zur Vergrößerung, bitte auf das jeweilige Bild klicken.)
Isothermisches ZTU- Schaubild Im ZTU- Schaubild für kontinuierliche Abkühlung (Bild 6) werden die Umwandlungsvorgänge, die bei der Anwendung verschiedner Abkühlungsgeschwindigkeiten ablaufen, beschrieben. Deshalb ist ausgehend von der Austenitisierungstemperatur eine Schar Abkühlungskurven eingezeichnet. Jeweils auf der 500°-Isotherme sind die Abkühlungsgeschwindigkeiten in °C/min. und bei rascherer Abkühlung, die Abkühlungsparameter vermerkt. Aus dem Abkühlungsparameter ergibt sich die Abkühlungszeit zwischen 800 und 500°C durch Multiplikation mit 100; ein Parameter von 0,1 besagt, dass innerhalb von 10 sek. von 800 auf 500°C abgekühlt wird.

Für jede Abkühlungskurve sind die in den einzelnen Umwandlungsstufen gebildeten Gefügeanteile prozentual vermerkt. Die Härtewerte der bei Raumtemperatur vorhandenen Gefüge sind auf der Abszissenachse in HV angegeben.

ZTU- Schaubilder werden jeweils für eine Schmelze der genannten Qualität aufgestellt und sind deshalb nur unter Berücksichtigung gewisser Streuungen, bedingt durch Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung, anzuwenden. Auch die Austenitisierungstemperatur und die Korngröße beeinflussen den Ablauf der Umwandlungsvorgänge.

Bild 6 (Zur Vergrößerung, bitte auf das jeweilige Bild klicken.)
ZTU- Schaubild bei kontinuierlicher Abkühlung